Происхождение всего. От Большого взрыва до человеческой цивилизации - Дэвид Берковичи

Несколько важных естественных механизмов обратной связи на Земле усиливают или сдерживают колебания климата, и некоторые из них связаны с углекислым газом. Если петля обратной связи положительная, она усиливает колебания климата, если отрицательная, она стабилизирует климат. Например, тектоника плит обеспечивает важную отрицательную обратную связь, которая сохраняет климат ровным в течение сотен миллионов лет. Кроме того, тектоника плит действует независимо от погодных условий, времени года или климата, сохраняя свою отрицательную обратную связь независимо от того, что происходит на поверхности. Геофизики вроде меня любят раздражать коллег, занимающихся изучением климата, утверждая, что наиболее важной частью климатологии является тектоника плит. Это могло бы даже быть правдой.

Обратная связь тектоники плит называется тектоническим или геохимическим циклом углерода и имеет несколько переменных составляющих. Во‑первых, тектоника плит доставляет на поверхность Земли новое минеральное вещество из коры и мантии. Это происходит благодаря извержению вулканов в срединно‑океанических хребтах, где литосферные плиты расходятся, а также благодаря вулканизму и горообразованию в зонах субдукции и коллизии, где плиты погружаются одна под другую и опускаются в мантию, в результате чего континенты сминаются, сжимаются и образуют горные массивы. Это же происходит в океанических горячих точках, таких как Гавайи, но там поверхность Земли изменяется намного меньше. Попав на поверхность, минеральное вещество вступает в химическую реакцию и с водой, и с углекислым газом – в дождевой воде, в реках, озерах и океанах. Углекислый газ растворяется в воде (особенно хорошо в дождевых каплях из‑за большой площади их поверхности), образуя слабую кислоту – угольную, ту же, что содержится в газированных напитках. Она вступает в реакцию с силикатными породами, образуя карбонаты, например известняк и мрамор. Таким образом, с помощью воды углекислый газ выводится из атмосферы, входит в структуру минералов и остается в составе горных пород. Если бы эти реагирующие вещества были оставлены в состоянии покоя, они образовали бы тонкий слой карбонатов, который не позволил бы расположенным более глубоко породам вступать в реакции, и в конце концов процесс впитывания углекислого газа прекратился бы. Однако дождь, снег, реки и ледники смывают вступившие в реакцию вещества в море. Эрозия помогает открыть доступ к новым минералам, доставленным на поверхность благодаря тектонике плит, и они продолжают вступать в реакции с углекислым газом, уменьшая его содержание в атмосфере.

Эрозия сама по себе сделала бы океаническое дно Земли плоским (вернее, сферическим, как бильярдный шар), что защитило бы его от дальнейшей эрозии и замедлило или прекратило дальнейшее выведение углекислого газа (в зависимости от глубины дна, но лучше обойти эту чрезвычайно сложную тему). Однако тектоника плит не только выносит на поверхность свежие породы, но и непрерывно создает вулканы и горы, что позволяет циклу эрозии продолжаться. Разрушенные минералы смываются в реки, озера и в конце концов в океаны и там насыщаются углекислотой, так как воды Земли содержат много растворенного углекислого газа. Карбонизации океана способствует строительство известковых раковин кораллами и планктоном, например фораминиферами и кокколитофоридами, и эта реакция, несомненно, будет продолжаться. Из‑за нее бóльшая часть изначальной, в 60 раз более массивной земной атмосферы, состоявшей из углекислого газа, содержится теперь в карбонатах на дне океанов (и на дне древних океанов, образовавшем горы и континенты благодаря тектонике плит). Без этого геологического уменьшения концентрации углекислого газа наша атмосфера была бы похожа на венерианскую.

Однако углекислый газ не может храниться в породах бесконечно. В частности, в зонах субдукции карбонаты океанского дна погружаются в мантию. Часть углекислого газа из этих пород испаряется при высоких температурах и растворяется в расплаве мантии над погружающимся краем литосферной плиты (плавление происходит из‑за воды, которая также испаряется из слэба, как это описано в главе 4), а потом возвращается в атмосферу с вулканическим газом. Некоторые карбонаты выживают на стадии выпаривания и, возможно, погружаются в глубокую мантию. Считается, что мантия способна сохранять большое количество углерода, пусть и не в высоких концентрациях. С учетом ее огромного объема полное количество углерода в мантии, вероятно, значительно больше, чем в земной коре и океанах, хотя это еще остается предметом дискуссий. То, что в мантии Земли много углерода, доказывает его устойчивая форма, скрытая на глубине нескольких сотен километров, – алмазы. Время от времени они быстро поднимаются к поверхности и остаются в застывших магматических породах – магме, которая «застревает» в земной коре. Самые известные такие породы называются кимберлитами – в честь города Кимберли в Южной Африке, где их впервые нашли. Но алмазы явно не способствуют увеличению в атмосфере двуокиси углерода, а вот при извержениях вулканов в срединно‑океанических хребтах (и в меньшей степени в горячих точках, вроде Гавайских островов) из мантии просачивается углекислый газ. Так происходит медленное и постоянное проникновение углекислого газа в атмосферу Земли из ее недр. Не весь он затем уходит обратно в результате эрозии и выветривания, и этой медленной подачи углекислого газа в атмосферу достаточно для поддержания парникового эффекта на нашей планете.

Этот геохимический цикл углерода – выведение углекислого газа из атмосферы в результате выветривания и эрозии свежих минералов и возвращение его обратно благодаря вулканизму – предположительно, оказывает значительную отрицательную обратную связь, которая очень важна для этой истории. (Гипотеза о существовании отрицательной обратной связи до сих пор вызывает активные споры. Ее иногда называют моделью Walker World в честь Джеймса Уокера и его коллег. Эта модель похожа на более продвинутую BLAG‑ модель Роберта Бернера.) Выветривание и эрозия минералов зависят от температуры поверхности во многих отношениях. Во‑первых, при высоких температурах испаряется больше воды и, как следствие, выпадает больше осадков в виде дождя или снега, которые, в свою очередь, управляют процессом эрозии. Выпадению осадков также способствует наличие гор, так как ветер несет влажный воздух вдоль их склонов на большую высоту, где конденсируется водяной пар. Во‑вторых, при высоких температурах быстрее происходят карбонизация и выветривание. Когда избыток углекислого газа выбрасывается в атмосферу в результате извержения вулкана, лесного пожара или неконтролируемого сжигания ископаемого топлива (хм, что бы это могло быть?), потепление и парниковый эффект усиливают осадки и эрозию и ускоряют процесс выветривания минералов, выводя углекислый газ из атмосферы. (Это занимает миллионы лет и потому не спасет человечество, если мы не сумеем намного ускорить этот процесс и продолжим наше безрассудное потребление.) Если же уровень углекислого газа резко упадет, как это, возможно, произошло в далеком прошлом, тогда отсутствие парникового эффекта приведет к тому, что температуры снизятся и это ограничит процесс испарения, выпадения осадков, эрозию и выветривание, а затем остановит и выведение углекислого газа. Его уровень не будет снижаться, а вулканизм будет медленно выпускать углекислый газ в атмосферу. Таким образом, тектоника плит не позволяет ни уровню содержания углекислого газа, ни температуре стать слишком высокими или слишком низкими. Тектонический цикл сохраняет климат относительно стабильным в течение сотен миллионов лет. Слово «стабильный» здесь означает, что тектонический цикл препятствует скачкам температуры в десятки градусов Цельсия, однако он не защищает Землю от наступления ледникового периода или установления жаркого климата и исчезновения льдов.